Тема 5. Пф памяти и обучения.

Понятие энграммы и этапы ее формир.

Гипотеза о двух последовательно развивающихся следах. Согласно гипотезе, формирование энграммы осуществляется в два этапа: первый характеризуется не­устойчивой формой следа и существует в течение непродолжительного периода. Это этап кратковременной памяти. Именно на этом этапе след уязвим для действия модулирующих память влияний. Второй этап — переход следа в устойчивое состо­яние, которое не изменяется в течение продолжительного периода, — это этап дол­говременной памяти. Фиксация энграммы осуществляется при помощи процесса консолидации. Консолидация начинает развиваться во время пребывания следа в фазе кратковременного хранения. Последовательная смена состояний следа яв­ляется необходимым условием для фиксации энграммы. В завершенном виде ги­потеза о двух последовательных этапах формирования следа памяти была сформу­лирована Д. О. Хеббом и Р. В. Джерардом. На основе экспериментальных фактов и клинических наблюдений были сформулированы основные положения теории консолидации энграммы.

1. Фиксацию следа памяти обеспечивает процесс консолидации. 2. След памяти тем устойчивее, чем больший интервал времени проходит от момента завершения обучения до момента предъявления амнестического агента. 3. След памяти можно разрушить, если он еще не консолидировался или кон­солидировался частично. 3.Прерывание процесса консолидации приводит к физическому уничтожению энграммы. 4. Разрушенный след памяти не восста-навливается, так как действие амнестич-х агентов необратимо.

Гипотеза одного следа и двух процессов. Эта гипотеза была предложена Дж. Л. Мак-Го и П. Е. Гоулдом . В основе ее лежит предполо­жение о том, что при обучении развиваются два процесса — один из них специфи­ческий, инициируемый приобретенным опытом, а другой неспецифический. След памяти нестабилен до тех пор, пока неспецифическая физиологическая активность не закрепит состояние мозга, которое способствует научению и хранению следа. Неспецифические явления, сопровождающие научение и формирование следа, включают изменения уровня бодрствования и уровня определенных гормонов. Особенностью этой модели является отсутствие независимой кратковременной памяти. Согласно гипотезе, то, что обычно называют кратковременной памятью, яв­ляется особым случаем существования следа, когда действие неспецифического ком­понента научения ослаблено или заблокировано. Так как проявление энграммы свя­зано с деятельностью многих структур мозга, «чистый след» может оказаться за по­рогом воспроизведения. Это единственная гипотеза, в которой процесс образования энграммы и ее воспроизведения ставится в зависимость от общего состояния ЦНС. В качестве энграммы в данной гипотезе выступает совокупность явлений, прямо и косвенно участвующих в процессе ледообразования, а само следообразование рас­сматривается как специфический процесс. Остальные процессы, выполняющие ре-гуляторную функцию, рассматриваются как неспецифические.

Гипотеза о трех последовательных этапах фиксации энграммы. Идентифика­ция стадий формирования памяти при действии различных фармакологических средств и ингибиторов синтеза белков привела к предположению о существовании не двух, а трех последовательных этапов в закреплении энграммы. В основе такого «трехкомпонентного» подхода лежат результаты опытов, в которых изучалось дей­ствие ингибиторов синтеза белков через разное время после обучения, и предполо­жение о том, что каждая стадия фиксации имеет особое метаболическое обеспече­ние. Так, например, обнаружено, что интрацеребральное введение хлористого ли­тия или хлористого калия вызывает развитие ретроградной амнезии уже через 5 мин после обучения. В случае введения перед обучением ингибитора Na-, К-АТФазы оуабаина амнезия возникает только через 15 мин после обучения. Если применяется ацетоксициклогексимид, то амнезия обнаруживается только через 30 мин после обу­чения. Авторы сделали вывод о существовании трех стадий разви­тия энграммы. К аналогичному заключению на основании результатов эксперимен­тов о влиянии на научение интрацеребральных инъекций оуабаина и этакриновой кислоты перед выработкой условной пищевой реакции пришел и другой исследова­тель — М. Марк. Не обучившиеся в течение опытного сеан­са цыплята при тестировании через 30 мин-1 ч вели себя так же, как и обученные. Оуабаин и этакриновая кислота не воспрепятствовали формированию следа в дол­говременной памяти, в то же время полностью исключив реализацию поведения, ос­нованного на кратковременной памяти. Очевидно, что количество фаз фиксации определяется специфичностью применяемых воздействий, что показано в более по­здних исследованиях взаимоотношений биохимических процессов, развивающихся при обучении, с динамикой формирования следа памяти.

ВРЕМЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ. Консолидация и реверберация

Временная организация следа памяти подразумевает по­следовательность развития во времени качественно раз­ных процессов, приводящих к фиксации приобретенного опыта. Основные понятия, которыми оперирует теория консолидации и другие теории, созданные в рамках концеп­ции временной организации памяти, следующие: консоли­дация — процесс, приводящий к физическому закреплению энграммы, и реверберация — механизм консолидации, ос­нованный на многократном пробегании нервных импуль­сов по замкнутым цепям нейронов. Длительность консолидации — интервал вре­мени, необходимый для перехода следа памяти из кратковременного хранения, в котором он находится в виде реверберирующей импульсной активности, в долго­временное, обеспечивающее длительное существование энграммы.

Основными в концепции временной организации являются понятия о крат­ковременной и долговременной памяти. Подразумевается, что при фиксации про­исходит смена одной формы существования энграммы на другую. Представления о кратковременной и долговременной форме существования следа базируется на предположении о разных нейрофизиологических, молекулярных, биохимических и морфофункциональных основах энграммы на разных стадиях ее жизни. Цент­ральной проблемой в концепции временной организации памяти является опреде­ление продолжительности периода консолидации энграммы и количества этапов ее становления.

Основной способ исследования временной организации памяти заключается в искусственном воздействии на один из предполагаемых этапов становления энграммы, поэтому такое широкое применение получил метод экспериментальной ретроград­ной амнезии. Экспериментальная ретроградная амнезия вызывается самыми разны­ми воздействиями. Прошло много времени с тех пор, как К. Р. Дункан и Р. В. Джерард впервые сообщили о том, что электросудорожный шок влияет на хранение недавно приобретенного опыта. С тех пор накопленные дан­ные не оставляют сомнения в том, что не только электрошок, приводящий к драма­тическим последствиям, но и электрическая стимуляция весьма малой интенсивно­сти может влиять на память. Многочисленные экспериментальные данные показы­вают, что электрическая стимуляция может и усиливать, и прерывать хранение следа.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПАМЯТИ

В нейронауках исследование механизмов научения и памяти ведется преимуще­ственно в контексте пластичности. Именно поэтому многие исследова­ния имели своей целью идентификацию пластических изменений активности и мор­фологии мозга во время обучения и запоминания. Так как пластичность стала до­ступной для исследований на клеточном и молекулярном уровнях, в настоящее время идентифицировано множество механизмов нейронной пластичности, кото­рые, как предполагается, вносят свой вклад в разные формы обучения.

Обычно в качестве основного изменения при формировании памяти рассмат­ривают модификацию синаптических связей. Эта идея была разработана до тео­рии клеточных ансамблей Д. О. Хеббом. Интересы современных ис­следователей направлены не только на синапсы, но и на внутриклеточные процес­сы . Эксперименты, в которых изучаются механизмы долговременной пластичности, показывают, что по нейрофизиологическим показателям «старые» и «новые» следы памяти неразличимы, а качественно электрическая активность нейронов одинакова. Выдвигается предположение, согласно которому в основе длительно сохраняющихся следов памяти лежат долговременные изменения хемореактивных свойств мембраны нейронов. Это предположение поддерживается результатами экспериментов, в которых осуществляется прямой контроль за со­стоянием хемочувствительной мембраны на разных этапах ее формирования и по­следующего сохранения во времени; Соколов, Тер-Маргарян. Полученные факты позволяют рассматривать длительно сохраняющиеся изменения хемочувствительных мембран нейронов в качестве одного из реальных механизмов, лежащих в основе сохранения энграмм.

По этой причине в современных исследованиях одно из наиболее разрабатыва­емых направлений — это изучение структуры и функции синаптических мембран и их роли в передаче, фиксировании и хранении информации. Мембрана может рассматриваться как двойной посредник в передаче информации: состояние мемб­раны определяет чувствительность к стимулу, а перестройка мембраны после по­лучения сигнала определяет силу, специфичность и адекватность ответа. Исклю­чительная роль мембран в передаче и хранении информации связана с кооператив­ными структурными переходами в них. Эти переходы могут индуцироваться изменениями в липидах и белках. Не только кратковременная, но и долговременная память связана с изменением структуры липидного бислоя синаптических мембран. И кратковременная, и долговременная память зависят от перехода липидов в одно и то же новое жидкокристаллическое состояние.

Современный уровень понимания природы синаптической пластичности и эн-донейрональных процессов позволяет успешно изучать целенаправленное воздей­ствие на метаболические процессы нервных клеток, обеспечивающие привыкание, ассоциативное обучение, долговременную потенциацию, длительно сохраняющее­ся изменение синаптической эффективности и другие разнообразные формы плас­тичности нервных клеток. Наиболее интересные результаты получают в опытах по изучению пластич­ности и ее изменений под влиянием высокоспециализированных веществ при ре­гистрации электрической активности нейронов. Идентификация тонких внутриклеточных биохими­ческих механизмов научения позволила понять особую роль ионов кальция. По предположению, кальций осуществляет взаимосвязь между метаболизмом нейро­на и его мембраной, являясь метаболически зависимым компонентом клеточной проводимости; он принимает непосредственное участие в формировании пласти­ческих реакций нейронов.

Глоссарий памяти. Активная память — совокупность активных энграмм (следов памяти, готовых к воспроизведению в данный момент времени). Активная энграмма — след памяти, находящийся в состоянии, готовом для реализации на уровне поведения и существующий на уровне электрической активности определенных нервных элементов. Амнестическое воздействие — химическое, электрическое или механическое воздействие, применение которого вызывает нарушение памяти в форме антероградной или ретроградной амнезии. Гетеросинаптическая фасилитация (ГСФ) — нейрофизиологический механизм ассоциативного обучения, впервые изученный Э.Кенделом и Л.Током (1968) на препарате морского моллюска Aplysia. Градиент ретроградной амнезии — соотношение между силой амнестического воздействия и временем, прошедшим после обучения, при котором все еще возникает ретроградная амнезия. Декларативная память — память на события и факты, включает запоминание слов, лиц и т.д. обеспечивает ясный и доступный отчет о прошлом индивидуальном опыте. Долговременная память — стабильное состояние энграммы, обеспечивающее ее сохранение в течение длительного времени, соизмеримого с продолжительностью жизни. Долговременная потенциация (LTP) — сохраняющееся несколько часов (на препарате) или несколько дней или недель (на целом организме) увеличение синаптической передачи, вызванное короткой высокочастотной стимуляцией синаптического проводящего пути или же парной пресинаптической активацией с постсинаптической деполяризацией. Изолированный нейрон — биологическая модель для специальных исследований. Можно различать физическую изоляцию, связанную с выделением клетки из мозга животного, и функциональную, при которой клетка остается в естественной системе элементов (например, наложение лигатуры). Каналы мембраны — протеиновые поры в липидном бислое, которые позволяют специфическим ионам быстро передвигаться по электрохимическому градиенту и не требуют метаболической энергии. Консолидация — гипотетический процесс, переводящий след памяти из кратковременного в долговременное хранение; процесс, предваряющий и опосредующий нейрофизиологические проявления пластичности. К. завершается к моменту достижения максимального электрофизиологического выражения следа памяти. Метод «напоминания» — способ восстановления следа памяти, депрессированного амнестическим агентом, предъявлением стимула, похожего на использованный при обучении, но не обладающего самостоятельным обучающим эффектом. Метод «ознакомления» — способ восстановления памяти, основанный на предварительном пребывании животного в экспериментальной установки. Эффективное время нахождения зависит от сложности экспериментальной камеры. Нейромедиаторы — специальные вещества, которые выделяются из пресинаптической терминали. В настоящее время известно несколько десятков нейромедиаторов непептидной природы и сотни медиаторов пептидной природы, которые выполняют функцию передачи электрического сигнала от нейрона к нейрону. Нервная клетка — высокоспециализированная клетка, способная быстро изменять величину электрического заряда вплоть до противоположного. К функциям Н.к. относится передача информации об изменениях внутри и вне организма, ее запоминание на длительные сроки, создание образа внешнего мира и организация поведения. Обучение — процесс приобретения новых знаний живым объектом, стоящим на любом уровне эволюции. Память — процесс фиксации, хранения и воспроизведения информации мозгом. Пейсмекерные потенциалы — осциллирующие потенциалы нервной клетки, выраженные появлением спонтанной или вызванной авторитмической активности, имеющей эндогенное происхождение (близкие к синусоидальным колебания c частотой 0,1-10 гц, амплитудой 3-10 мВ). Пейсмекерный механизм является универсальным и представлен у нейронов животных различных уровней эволюции. Персеверация — самопроизвольные всплывания в памяти приобретенных знаний. Поздние гены — гены, вызывающие изменения программ деятельности клетки в ходе клеточного цикла и дифференцировки. Постсинаптический потенциал (ПСП) — локальная деполяризация или гиперполяризация мембраны, которая вызывается воздействием нейромедиатора. ПСП могут быть возбудительными (ВПСП) и тормозными (ТПСП). Амплитуда ПСП может достигать 20 мВ. Потенциал покоя — стационарная разность потенциалов покоящейся клетки между ее внутренним содержимым и наружным раствором. Процедурная память — знание о том, как нужно действовать. Ранние гены — гены, транскрипция которых запускается механизмами, заранее готовыми для восприятия экстраклеточных стимулов. В клетках мозга животных при обучении и при изменениях окружающей среды активируются два представителя семейства «ранних» генов- с-fos и с-]un. Распад потенциала действия — образование из исходного потенциала действия нервной клетки двух или нескольких микроспайков. Реверберация — многократное прохождение нервной импульсной активности по одному и тому же пути через одни и те же синаптические контакты. Ретроактивное торможение — ухудшение воспроизведения ранее заученного материала после заучивания другого. Соответственно проактивное торможение — это ухудшение запоминания после выполнения предыдущего задания. Ретроградная амнезия, антероградная амнезия — потеря или ухудшение памяти на события, произошедшие непосредственно перед травмой или действием амнестического агента (ретроградная амнезия) или сразу же после нее (антероградная амнезия). Следовые процессы — процессы клеточного и внутриклеточного уровня, которые обеспечивают сохранение во времени изменившегося свойства после устранения причины, вызвавшей это изменение. Функциональное состояние нейрона — совокупность фоновых параметров активности нейрона — уровня мембранного потенциала, амплитуды потенциалов действия (ПД), порога генерации ПД, состояния пейсмекерного механизма, постсинаптической чувствительности к нейромедиаторам. Энграмма — сформированный след памяти.